电解铝烟气净化集散控制系统设计.docx

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电解铝烟气净化集散控制系统设计

电解铝烟气净化集散控制系统

摘要

随着工业的发展，现代化、信息化进程的加快，新时代的工业对工业尾气排放日趋重视，一旦废气处理不当直接排放会对环境以及人民生命财产带来重大影响。

因此必须妥善处理废气，达标排放。

本设计就是针对电解铝烟气排放做的一个回收净化的控制，介绍了集散控制系统以及其控制过程。

附带介绍集散控制系统各部分的功能和设备要求。

本设计详细介绍了电解铝烟气从出来到进入布袋除尘器处理，再到排放一系列的控制过程。

对实现控制目标的每一个设备的选型，以及设备组态软件做了详细叙述。

在本论文的最后写了集散控制系统的前景展望，以及工业控制未来的发展，和世界一些关于工业废气处理的先进技术。

关键词：

电解铝；烟气净化技术；集散控制系统

Electrolyticaluminiumhazepurificationand

distributioncontrolsystem

Abstract

Withindustrialdevelopment,modernizationandinformationtechnologytospeeduptheprocess,neweraofindustrialtoindustrialemissionsincreasingattention,Oncetheexhaustemissionsofimproprietydirectlyontheenvironmentandpeople'slivesandpropertyhavesignificantramifications.Itisnecessarytoproperlyhandleexhaustemissionstandards.

Thesmelterwasaimedatthedesignoffluegasemissionsdoarecoveryandpurificationofcontrol,onthedistributedcontrolsystemanditscontrolprocesses.Withdistributedcontrolsystemonthepartofthefunctionalandequipmentrequirements.

Thissmelterdetailsthesmelteroutofthesmokefromenteringthebagfilter,andthenaseriesofemissioncontrolprocess.Toachievethecontrolobjectivesforeachofaselectionofequipment,andequipmentconfigurationsoftwaregaveadetaileddescription.

InthispaperthefinalwasmadetotheDistributedControlSystemProspect,andindustrialcontrolfuturedevelopment,andsomeoftheworld'sindustrialemissionsofadvancedtechnology.

Keywords:

Electrolyticaluminium;Hazepurificationtechnology;Distributioncontrolsystem

摘要…………………………………………………………………………………I

Abstract.……………………………………………………………………………….II

4.2电解铝烟气净化系统操作画面的设计18

4.3电解铝烟气净化系统I/O点的定义23

附录………………………………………………………………………………..43

致谢………………………………………………………………………………44

第一章引言

一.1研究背景

随着工业化进程的加快，绿色工业也伴随着雨后春笋般的诞生了，其中重工业烟气净化过程是一个致关重要的环节。

本设计以电解铝净化为例阐述了关于关于烟气净化的整个控制过程。

电解铝烟气成分中主要由HF等有害气体和固体颗粒组成，直接排放无论是对、居民生活还是对环境都构成很大的影响，因此处理电解废气和回收AL2O3固体粉末，成为电解工业致关重要的一个环节。

自1975年美国霍尼韦尔公司推出第一套TDC2000型集散控制系统在工业控制领域应用以来，集散控制系统已经发展成为工业生产过程自动控制装置的主流。

集散控制系统的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监控、操作、管理和分散控制的一种新型的控制技术。

它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术的发展和渗透而产生的。

随着计算机技术、通信技术、控制技术、和微电子技术的迅速发展，集散控制系统也得到了飞速的发展。

目前霍尼韦尔已推出控制功能更强的第三代产品，集散控制系统不同于分散型的常规仪表控制技术，也不同于集中式的计算机控制系统，而吸收两者的优点，在其基础上发展起来的一种先进的系统工程技术，集散控制的出现和应用是生产过程控制技术发展中的又一大飞跃。

本设计采用国产浙大中控JX-300X集散控制系统，该系统有较强的控制能力，有较好的性价比，适合于小型系统使用。

它除了具有结构简单、功能强大等特点外，其显著的特点之一是具有系统测试功能，系统测试功能的目的是对系统的组态进行仿真，可提前发现问题，待测试可行后再下载到实际的FCS，从而不影响整个生产过程。

只需采用组态软件改变某些配置和控制方案就能实现适合新对象的控制功能，下面对集散控制系统的特点及整个设计过程做以详细的介绍。

一.2电解铝烟气净化在世界的先进技术

国际上电解行业的烟气净化一般有两种方法：

干法和湿法。

干法：

用氧化铝作吸附剂，使之产生含氟氧化铝，直接返回电解槽使用。

此法多用于预焙槽和上插自焙槽，是一种较新的方法。

我国于1977年4月开始试验这一技术，现在已掌握了工艺流程和技术条件控制等问题。

湿法：

湿法净化回收有多种方法，如用清水洗涤、碱水洗涤、海水洗涤等。

洗液再通过碱法、氨法和酸法流程加以回收，制取冰晶石、氟化钠、氟化铝等。

一般多用于制造冰晶石。

虽然烟气净化最简单经济的方法是用水洗涤，但由于水溶解氟化氢后变为氢氟酸，最容易腐蚀设备，所以目前各国多采用碱法净化回收。

从近十几年的发展趋势看，湿法净化回收大部分已被干法净化回收所取代。

这不但是因为干法净化易于控制、流程简单、环境好、操作容易，而且干法净化回收过程中产生的二次污染小、净化效果好。

湿法净化回收系统已逐渐不适应环保的要求，而趋于被淘汰。

本设计采用了干法净化回收的方法。

一.3集散控制系统的发展

集散控制系统（DistributedControlSystem,简称DCS）是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。

自70年代中期第一套集散控制系统问世以来，到现在已经在工业领域得到了广泛应用，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程控制的主流。

集散控制系统的主要特性是它的集中管理和分散控制。

而且，随着计算机技术的发展，网络技术已经使集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理方向发展。

系统的开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以相互连接，而且使得它们可以方便地进行数据交换，系统的开放也使第三方软件可以方便地在现有的集散控制系统应用的更好。

对集散控制系统进行认真和细致的分析，研究集散控制系统的共性和各个制造厂商产品的不同的特点，了解集散控制系统的选型、设计和应用方法是十分必要的。

一.4论文结构

论文先对电解铝采用的干法净化进行了介绍，并对系统工艺流程以及其组成和原理进行了描述，，然后对本设计采用的集散控制系统的整体进行了阐述。

本设计总共分为五章。

以下为详细说明。

第二章电解铝烟气净化系统概述

铝电解生产的污染物可分为4类：

烟气、粉尘、余热和磁场。

其中烟气，粉尘和磁场造成环境污染，危害人们的健康，余热则造成车间高温，恶化操作条件。

人们通常所指的烟气是指烟气和粉尘的混合物。

所以烟气中有气体和固体两种成分。

气态物质的主要成分是氟化氢（HF）及阳极效应时生成的CF4与C2F6等。

气态物质的含量如表2.1所示：

表2.1（废气成分表）

名称

HF

CF4

C2F6

CO2

CO

SO2

单位kg／t-Al

8～11

7～12

0.1～0.2

900～1000

280～330

7.9～15

固态物质分两类，一类是大颗粒物质（直径大于5μm），主要是氧化铝、炭粒和冰晶石粉尘。

由于氧化铝吸附了一部分气态氟化物，一般大颗粒物质中总含氟量约为15％，另一类是细颗粒物质（亚微米颗粒），由电解质蒸气凝结而成，其中含氟量高达45％。

根据槽型的不同，烟气的组成也略有变化。

预焙槽烟气中的粉尘含量大约为20～40kg／t-Al。

烟气弥漫在电解车间，恶化劳动生产条件，严重影响生产工人的身体健康，电解烟气不净化处理扩散到大气中，对生态有一定的危害。

因此必须对烟气进行净化处理。

[1]

2.1电解铝烟气净化系统工艺介绍

本次设计的烟气净化系统采用干法净化。

所谓干法净化即以某种固体物质吸附另一种气体物质所完成的净化过程。

具有吸附作用的物质称吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。

2.1.1电解铝烟气净化系统的净化原理

净化原理：

在这里我们使用电解铝生产用的Al2O3做为吸附剂吸附烟气中的HF等大气污染物来完成对烟气的净化。

Al2O3吸附HF是由它们的性质和吸附规律决定的。

电解用Al2O3和HF的性质：

Al2O3根据焙烧状况的不同，各结晶构造的比例也不一样，一般为r型与α型及少量的中间型。

α型活性较差，约占总量的40～50％，r型及中间型Al2O3孔隙率较高，表面积较大，且Al2O3是一个典型的两性化合物。

HF沸点为19.54℃,活性大，具有同自身以及其他化合物相结合的特点。

氧化铝与烟气中的HF接触后，吸附反应速度很快，几乎是在0．1秒钟完成。

干法净化回收的吸附效率主要取决于氧化铝的物理性能和投入到烟气中的数量。

氧化铝的表面积的大小，不仅影响氧化铝的熔解性能，而且也影响对HF的吸附效率。

氧化铝是一种多孔结构的物质，具有很大的内表面积，这给吸附物和吸附剂之间提供了接触机会。

所以氧化铝的表面积越大，接收吸附物的能力就越大，吸附量也随表面积的增加而增加。

砂状氧化铝的表面积比粉状氧化铝的表面积大的多，所以砂状氧化铝是理想的吸附剂。

向铝电解烟气中投入的氧化铝数量称为气固比，在预焙槽烟气净化回收系统中的气固比为35～55g／m3，在自焙槽烟气净化回收系统中的气固比为45～80g／m3。

吸附规律：

吸附为表面作用，吸附剂的表面积越大其吸附能力越强。

吸附剂的表面积的大小取决吸附剂的孔隙率的大小及其颗粒的粗细。

吸附质的沸点越高越易被吸附，相反则难于被吸附。

HF的吸附一般分为物理吸附和化学吸附。

产生物理吸附的作用力为范德华力，产生化学吸附的作用力为化学键力。

物理吸附可以向化学吸附转化。

试验证明，Al2O3吸附HF以化学吸附为主，物理吸附次之。

化学吸附的结果在Al2O3表层，每个Al2O3分子吸附两个HF分子，生成单分子层吸附化合物。

Al2O3对沥青烟的吸附为物理吸附。

对于物理吸附，吸附质的沸点的高低具有决定意义。

对化学吸附除沸点外，吸附剂和吸附质的反应性也是极其重要的。

HF的负电性很大，H和F的原子间键是极性的共价键，由于H和F负电电性相差1.9（H为2.1、F为4）故H-F键的极性是相当强的成键电子强烈偏向F的一边，因此可以形成H键，使HF有自身结合的现象。

所有这些表明，HF具有沸点高、化学活性强、很容易被Al2O3吸附的特点。

综上所述，可将干法除氟的吸附反应原理，用如下化学反应式来表示：

吸附：

3Al2O3+6HF→3（Al2O3+2HF）

转化：

3（Al2O3+2HF）→2AlF3+3H2O+2Al2O3

总反应式：

Al2O3+6HF→2AlF3+3H2O

当载氟Al2O3被加温到400℃以下时，Al2O3的载氟量无变化，但表面吸附的化合物发生了晶体重排，由正四面体结构转化为正六面体结构（即AlF3晶体），这样便得到了稳定的AlF3化合物，但在高温下AlF3容易水解和升华，温度越高，水解越多，升华越迅速。

当温度达到600℃时就会大量解析、升华，这是因为AlF3的沸点较低，电解槽的保温料层的温度大约在400℃以下，这恰好是表面化合物转化为AlF3所需要的温度。

在下层高温状态下，即使有少量的水解和升华，也会被上层低温的Al2O3所吸附。

因此，载氟Al2O3在槽面预热期间，因解析而释放的氟是很少的。

这样就达到了净化气体的目的。

[2]

2.1.2电解铝烟气净化系统的工艺流程

图2.1是铝电解废气吸附脱氟流程。

电解槽排出废气经收集后，进入VRI反应器，与反应器内喷出的氧化铝充分接触、混合，完成吸附过程后进入脉冲式布袋除尘器，进行气固分离。

分离后的净化气体经烟囱排空，吸附后的氧化铝部分循环使用，部分送至载氟氧化铝贮仓，定期送电解使用，新鲜氧化铝贮仓经风动输送斜槽送去吸附脱氟。

图2.1电解铝烟气净化工艺流程图

2.2电解铝烟气净化系统的组成及功能

本次设计采用干法净化，所用主要设备有VRI反应器、脉冲式布袋除尘器、管道输送床、气力提升机、阀门以及引风机组成。

2.2.1VRI反应器的结构及其原理

图2.2VRI反应器的结构图

工作原理：

吸附用新鲜AL2O3按一定比例加入VRI中，被通过反应器底部的流态化气力沸腾器的气流翻动，呈沸腾状，向上经锥形壳体沿辐射线布置的孔均匀地呈溢流状流入烟气管道，并且充满了整个管道截面，烟气在烟气管道与AL2O3充分接触，完成了对HF及沥青焦油的吸附过程，随后送去进行气固分离。

从实际运行数据来看，该系统的脱氟效果较好，可达95%--99%，净化后含氟浓度降到每立方米0.41—2mg。

由于VRI反应器的锥体呈流线性，使得烟气阻力损失很小，仅为60—200Pa,小于其他形式脱氟反应器。

[2]

2.2.2脉冲式布袋除尘器结构及其工作原理

图2.3脉冲式布袋除尘器结构图

工作原理：

当滤袋表面的粉尘不断增加，导致设备阻力上升到设定值时，微压差控制器有信号输出。

控制仪便发出信号，使喷吹系统工作，此时压缩空气从气包顺序经脉冲阀和喷吹管上的喷咀向滤袋内喷射。

在滤袋膨胀产生的加速度和反向气流的作用下。

附于袋外的粉尘脱离滤袋落入灰斗。

粉尘由螺旋输灰机和卸灰阀排出。

喷吹一次的持续时间为0.065～0.085秒，喷吹结束后，滤袋立即恢复过滤状态。

[9]

2.2.3管道输送床工作原理

工作原理：

来自电解槽的含HF烟气在管道输送床的入口处与自AL2O3加料器均匀加入的氧化铝混合，在管道中高速气流带动下，氧化铝高度分散，并与氧化铝充分接触，完成化学吸附后，气流携带的含氟氧化铝在旋风分离器及布袋除尘器中进行二级气固分离，氧化铝返回铝电解槽，脱氟后气体经排风机排出。

[2]

图2.4管道输送床图

2.2.4气力提升机工作原理

气力提升机是一种低压吹送的垂直提升气吸式输送设备，可用作粉状物料的运输机械。

气力提升机工作原理：

靠真空来吸取物料。

即当鼓风机工作后，整个系统被抽成一定的真空度，在压力差的作用下，大气中的空气流从物料堆的间隙通过，把物料吸入吸嘴，并沿输料管进入分离器中，在分离器，物料和空气被分离，物料直接从底部卸出，空气进入除尘器，净化以后的空气通过鼓风机排入大气。

气力提升机的优点是结构简单、质量轻、无运动部件、操作维修方便可靠，用于提升高度大于45m以上较为经济。

缺点是电耗大，提升高度越低耗电越大。

第三章集散控制系统的概述

3.1集散控制系统

集散控制系统是以满足现代化工业和日益复杂的控制对象的要求为前提，从生产综合自动化的角度出发，将微处理器作为核心的集中分散控制系统，对生产过程进行监视、操作、管理和分散控制的一种新型产物，已经在工业控制领域中得到广泛应用，成为过程工业自动控制的主流。

集散控制自问世以来，广泛地应用在电力、石油、化工等其它工业领域之中，这主要是它有独特的优越性及常规控制仪表所无法比拟的特点。

3.1.1DCS的基本组成

集散控制系统的产品纷繁，但从系统结构分析，集散控制系统都由三大基本部分组成。

它们是分散过程控制装置部分、集中操作和管理系统部分以及通信系统部分。

三部分的关系如图3.1所示。

图3.1系统结构图

1、分散控制装置部分

分散过程控制装置的主要功能是分散的过程控制。

它是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息通过分散过程控制送到执行机构。

在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波以及其他的一些运算。

2、集中操作和管理系统部分

集中操作和管理系统部分是操作人员与集散控制系统间的界面，它的主要功能是集中各分散过程装置送来的信息，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它把操作指令下送到各分散过程控制装置。

生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员的监视和操作。

3、通信系统部分

分散过程控制装置与集中操作和管理系统部分之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递和交换，这就是通信系统部分。

这里的通信指各级计算机、微处理器与外部的设备通信、级与级之间的通信。

对通信系统的要求除了传输速度、误码率等外，主要是对开放性与互操作性的要求。

系统的所谓“开放”，就是允许与其他厂商的产品能通信。

这要求通信系统有一个统一的标准、协议。

各厂商的产品的通信也应符合统一的标准。

这个通信标准的框架结构是国际标准化组织的开放系统互联参考模型。

所谓“互操作性”是现场总线的通信标准，它要求不同厂家商的智能现场变送器、执行器等可以互换。

[4]

3.1.2DCS的分层体系

图3.2集散控制系统分层体系

层次化成为DCS的体系特点，使其体现集中操作管理，分散控制的思想。

可以将DCS层次分为四级（如图3.2所示）。

[3]

3.1.3DCS各层次的功能

1、现场装置管理层次的直接控制级（过程控制级）

在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（如变送器，执行器，记录仪表等）相连，对所连接的装置实施监测，控制，同时他还向上与第二级计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。

2、过程管理级

在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机，操作站，工程师站。

它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。

3、生产管理级

在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。

4、经营管理级

居于工厂自动化系统的最高一层，它的管理范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面以及其他方面的功能。

在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公自动化相连接，来实现整个制造系统的最优化。

[4]

3.1.4集散控制系统的特点

集散控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、过程管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便、具有赶可靠性的使用系统。

特点如下：

1、自主性

系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成合理分配给自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可组态加载，是一个能独立运行的高可靠性子系统。

2、协调性

采用实时性的、高可靠性的工业控制局部网络，使整个系统信号共享，提高了畅通性。

各工作站间通过通信网络传送各种信息协调地工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理，各站之间具有充分的协调性。

3、友好性

集散控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员设计的，采用实用而简捷的人机会话系统，CRT高分别率交互图形显示，复合窗口技术，画面日趋丰富，纵观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、批量控制、计量报表、操作指导画面。

菜单功能等均具有实时性。

平面密封式薄膜操作键盘、触摸屏幕、鼠标器等操作器更便于操作。

4、在线性与实时性

通过人机接口和I/O接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，可进行系统结构。

组态回路在线修改、局部故障的在线维修。

提高了系统的可靠性。

5、适应性、灵活性和扩充性

硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同用户的需要。

可根据生产要求，改变系统的大小配置，在工厂改变生产工艺、生产流程时只需改变系统配置和控制方案，相应使用组态软件填一些表格即可实现。

6、高可靠性

高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统的生命力所在，制造厂商在确定系统结构的同时，进行了可靠性设计，采用可靠保证技术。

从系统结构上采用容错设计，使得在任一单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。

在系统硬件上包括操作站、控制站、通讯链路采用双重冗余化配置。

从系统软件上采用程序分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的冗错设计。

[6]

3.2JX-300X系统介绍

SUPCONJX系列集散控制系统是由浙江中控推出的，是以中国的国情为设计前提，参照当今国外先进技术而推出的计算机控制系统，系统规模可大可小，支持标准网络通讯协议，兼容性、开放性好，被广泛的应用于石油、化工、冶金、电力、建材、轻工、制药、生化、机械制造及水处理等行业。

SUPCONJX-300X控制系统充分应用了最新信号处理技术，高速网络通讯技术、软件设计技术和现场总线技术，并采用性能的微处理器和成熟的先进控制算法，使系统兼具有高速可靠的数据输入输出、运算、过程控制功能和PLC联锁逻辑功能，从而能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字、现场化、结构灵活、功能更加完善的新型开发式集散控制系统。

[11]

3.2.1JX-300X系统组成

JX-300X的基本组成包括工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）和通讯网络SCNET。

①工程师站是为专业人员设计的，内装有响应的组态平台和系统维护工具。

通过系统平台生成适合于生产工艺要求的应用系统。

②操作站是由工业PC机、CRT显示器、键盘、鼠标、打印机等组成人机系统，是操作员完成监控管理任务的环境。

③控制站是系统中直接与现场打交道的I/O处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能，可以冗余配置，灵活，合理。

④通讯网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息，控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传输安全，高速。

通过在JX-300X的通讯网络上挂接总线变换单元（BCU）可实现与JX-100、JX-200、JX-300系统的连接；在通讯网络上挂接通信接口（CIU）可实现JX-300X与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的应用软件AdvanTrolPIMS可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（Internet）环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录查看、开关量变位记录查看、报表数据存贮、历史趋势存储与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产